該可植入器件可以適形匹配生物體組織，并在機體發育過程中對大腦進行監控。
美國加州大學歐文分校的研究人員開發出一種柔軟、適形的植入物，可以測量受試者發育過程中大腦的神經信號。這項發明采用一種有機聚合物材料，與剛性的硅基醫療器件相比，更適合敏感的活體組織。
據麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學歐文分校（UC Irvine）和紐約哥倫比亞大學（Columbia University）的研究人員將晶體管嵌入一種柔軟、舒適的保形材料，制造出一種生物相容性傳感器植入物，可在受試者發育的各個階段監測其神經功能。
這項研究成果已經以“Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors”為題發表于Nature Communications期刊。加州大學歐文分校的科學家們在論文中介紹了他們構建的互補、適形、可植入的內部離子門控有機電化學晶體管，這種晶體管在化學、生物學和電子學方面都比剛性硅基技術更適合活體組織。基于這種晶體管的生物醫療器件可以在人體敏感部位發揮作用，甚至在器官生長時還能與器官結構相適應。
研究人員展示了通過調制混合導電聚合物溝道的空間去摻雜，可以實現溝道電流的定向控制，從而利用單一有機材料生成互補的內部離子門控有機電化學晶體管（cIGT）。通過引入非對稱接觸區域實現了這種調制，進而在最低電位接觸區域產生接觸介導的去摻雜。增強的局部去摻雜可以有針對性地增加第一和第三象限的飽和區域，而無需對材料進行任何改動。只要接觸面積大于溝道，水平和垂直溝道的晶體管都可以應用這種方法。
基于cIGT的適形放大器陣列，用于穩定、長期的體內電生理記錄
研究人員通過幾種導電聚合物（包括載流子類型和極性）復制這一過程，證明了其設計原理的通用性。利用從器件幾何變化中得到的設計規則，研究人員創建了高度匹配的垂直晶體管，作為保形放大器的構件。這些放大器可以在超過2 MHz的頻率下以均勻的大于200倍的增益工作。
將它們長期植入自由活動的大鼠體內一個多月后，它們仍表現出穩定的性能。目前可用的放大器無法完全植入，無法在提供高局部電壓放大的同時，實現符合人體工學的微型化尺寸。雖然在大型動物模型中可以通過采用剛性擠出組件來克服這一限制，但由于植入會妨礙正常活動或需要進行大型外科手術，因此阻礙了臨床轉化。在嘗試對未成熟的小動物進行電生理學研究時，也會遇到這些轉化困難。這些脆弱的生物需要持續的母體護理，無法耐受影響行動的剛性、系留植入物，也無法承受大型手術。因此，研究人員通過將cIGT植入發育中的小鼠體內來測試cIGT的轉化潛力。基于cIGT的電壓放大器被完全植入小鼠體內，實現了在自然環境中進行縱向電生理記錄，這在過去是不可能實現的。
基于cIGT的完全植入式放大器，用于采集大腦發育過程中的神經活動
“先進電子技術已經發展了數十年，因此有大量可用的電路設計。問題是，這些晶體管和放大器技術大多與我們的生理機制不兼容。”論文共同作者、加州大學歐文分校電子工程與計算機科學系教授Dion Khodagholy說，“在我們的這項創新中，使用了在生物學本質上更接近生物體的有機聚合物材料，并將其設計為離子相互作用機制，因為大腦和身體的語言是‘離子語言’，而不是‘電子語言’。”
在標準的生物電子器件中，互補晶體管由不同的材料組成，以對應不同的信號極性，除了不牢固和笨重之外，還存在植入敏感區域時帶來的毒性風險。該研究團隊成功解決了這一難題，他們以一種不對稱的方式構建晶體管，使其能夠使用單一的生物相容材料進行工作。
“晶體管就像一個控制電流流動的簡單閥門。在我們開發的晶體管中，控制這種調制的物理過程是由溝道的電化學摻雜和去摻雜決定的。”該論文第一作者、哥倫比亞大學博士研究生、加州大學歐文分校電子工程與計算機科學系的訪問學者Duncan Wisniewski說，“通過設計具有不對稱接觸的器件，我們可以控制溝道中的摻雜位置，并將焦點從負電位切換到正電位。這種設計方法使我們能夠使用單一材料制造互補器件。”
他補充說，將晶體管排列成更小的單一聚合物材料大大簡化了制造過程，從而使大規模制造成為可能，并有機會將該技術從最初的神經學應用擴展到幾乎所有的生物電勢過程。
Khodagholy是加州大學歐文分校轉化神經電子學實驗室的負責人，該實驗室最近從哥倫比亞大學搬到了歐文分校。“該研究成果的另一個優勢是可擴展性。”他說，“由此，我們可以制造不同尺寸的器件，且仍能保持這種互補性，甚至可以改變材料，這使得這項創新適用于更多情景。”
該論文強調的另一個優勢是，這種器件可以植入發育中的動物體內，并能承受生物體生長過程中組織結構的變化，而這是剛性硅基植入物無法做到的。
該論文共同作者、加州大學歐文分校解剖學、神經生物學和兒科學副教授Jennifer Gelinas說：“這一特性使該器件在兒科研究領域特別有用。”
Khodagholy說：“這項研究證明了我們有能力構建這種能夠高質量采集并處理生物信號的強大互補集成電路。這種互補、內部離子門控有機電化學晶體管，將大大拓寬生物電子學器件的應用，而在過去這些器件通常需要依賴笨重的非生物相容性組件。”
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55284-w
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
《腦機接口技術及市場-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
